Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520

3 Conceitos Básicos

3.5 Dimensionamento de válvulas de segurança

3.5.2 Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520

Recapitulando o que foi mencionado anteriormente, neste trabalho:

a) Ambas as normas são aplicadas para pressões de alívio acima de 15 psi-g e utilizam o sistema de unidades americano.

36 b) O código da ASME Seção VIII é um código para certificação de válvulas de segurança trabalhando em conjunto com vasos de pressão. Ele certifica as válvulas que operam com vapor saturado, água, ar e gás natural (Seção VIII UG-131).

c) A API RP 520 é uma prática recomendada para padronizar a pré-seleção de válvulas de segurança em plantas que estão na fase de projeto. Ela padroniza a pré-seleção de válvulas de segurança trabalhando com gases, vapores, líquidos e fluidos bifásicos.

A norma da API RP 520 utiliza as mesmas fórmulas do código da ASME, porém adiciona os fatores de correção, o que a torna apropriada para muitas aplicações práticas. Nela a pré-seleção das válvulas de segurança requer a determinação de uma área efetiva de descarga e um coeficiente efetivo de descarga, que são valores nominais e independem da seleção do projeto e do fabricante. As áreas efetivas de descarga são listadas na API 526 na ordem crescente da letra D até a letra T.

Uma vez calculada a área de descarga efetiva e selecionado o tamanho do orifício na norma, é preciso provar que a capacidade certificada é igual ou maior àquela do dimensionamento preliminar. Para este cálculo, o engenheiro deve utilizar o coeficiente e a área real de descarga, ambos contidos no catálogo dos fabricantes. O coeficiente de descarga real precisa ser certificado pela ASME.

Desta forma, a ASME Seção VIII e a API RP 520 estão interconectadas, o que torna comum apresentá-las de forma conjunta, como um único procedimento de dimensionamento. Em ambos os procedimentos de dimensionamento, a mesma área será calculada, levando à seleção da mesma válvula de segurança.

As Tabelas 5 e 6 são, respectivamente, uma lista de coeficientes efetivos de descarga K_d−efetivo e uma lista de áreas efetivas de descarga, encontradas na API RP 520:

Tabela 10: Coeficiente efetivo de descarga, conforme API RP 520.

Estado Físico do fluido API RP 520

𝐊_{𝐝−𝐞𝐟𝐞𝐭𝐢𝐯𝐨}

Gás, vapor e vapor d’água 0,975

Líquido 0,65

Tabela 11: Área efetiva de descarga, conforme API RP 520.

Letra do orifício Área efetiva de descarga da API RP 520

in² mm² D 0,110 71 E 0,196 126 F 0,307 198 G 0,503 325 H 0,785 506 J 1,287 830 K 1,838 1186 L 2,853 1841 M 3,600 2322 N 4,340 2800 P 6,380 4116 Q 11,050 7129 R 16,000 10322 T 26,000 16774

 Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento crítico

Neste trabalho, serão contempladas as aplicações com gases e vapores mais comuns nas indústrias. Ou seja, quando o fluido estiver escoando na condição de velocidade limite (escoamento sônico ou crítico), ou abaixo desta velocidade (escoamento subsônico ou subcrítico).

Os dispositivos de alívio de pressão que operam com vapor ou gás, em condições críticas, devem ser dimensionados usando as equações de (10) a (14). Essas equações devem ser utilizadas para calcular a área efetiva de descarga A, necessária para atingir a vazão requerida na válvula de segurança. A válvula de segurança que possuir uma área de descarga efetiva maior ou igual à área A calculada, é selecionada para a aplicação.

A = ^W

C ∗ K

∗ K

∗ P

₁

^{∗ √}

T ∗ Z

M ⁽¹⁰⁾

A = ¹

6,32^∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ K

∗ K

∗ P

₁

^{(11) ou A =}

2,676 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ K

∗ K

∗ P

₁

(12)

A = ¹

1,175^∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ K

∗ K

∗ P

₁

^{(13) ou A =}

14,41 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ K

∗ K

∗ P

₁

⁽¹⁴⁾

38 A Fórmula (10) pode ser usada tanto para o Sistema Internacional de unidades (SI) quanto para o Sistema de unidades Americano (US). As Fórmulas (11) e (13) são utilizadas quando trabalhando com o Sistema de unidades Americano (US), já as fórmulas (12) e (14) são utilizadas para o Sistema Internacional de unidades (SI). Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida no dispositivo [in² ou mm²]

- W = vazão requerida no dispositivo [

^lb_h

ou

^kg_h

]

- V = vazão requerida no dispositivo [SCFM ou Nm³/h]

- K

= fator de correção da capacidade devido à contrapressão

- K

= fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- K

= coeficiente de descarga

- P

₁

= pressão de alívio (psi ou bar ou

_cm^kgf₂

)

- Z = fator de compressibilidade

- T = temperatura de alívio (°R ou °C)

- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (

_lb^lb

mol

ou

_kg^kg mol

)

- G = Gravidade específica

- C = Coeficiente em função da razão de calores específicos do gás ideal (𝑘 =

^𝐶𝑝

𝐶_𝑣

)

Para obter os fatores e coeficientes para realizar um dimensionamento preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

1) O fator K_b pode ser obtido do catálogo do fabricante ou encontrado à partir da Figura 15, disponibilizada na API RP 520. Este fator é aplicável apenas para válvulas de segurança balanceadas com fole. Para as válvulas convencionais, utiliza-se o valor de 1 para o K_b.

39 2) O fator K_c é adotado como 1, caso a válvula de segurança não possua um Disco de Ruptura instalado. Caso haja Disco de Ruptura instalado, adota-se o valor de 0,9.

3) O coeficiente de descarga K_d possui os valores descritos na Tabela 5, para cada tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com gases e vapores, utilizar os seguintes valores:

- 0,975 , quando a PSV está instalada com ou sem disco de ruptura

- 0,62 , quando a PSV não está instalada e o dimensionamento é feito considerando o disco de ruptura instalado.

Depois de feito o dimensionamento e tendo sido selecionado o orifício do fabricante, corrige-se este valor pelo valor certificado do fabricante.

4) O coeficiente C é determinado como:

- Em unidades Americanas (US):

Figura 15: Fator de correção para a contrapressão 𝐊𝐛, para válvulas balanceadas e operando com gases e vapores (Fonte: API RP 520, p.47)

C = 520 ∗ √k ∗ ( ²

k + 1⁾

k+1 k−1

com unidades [√^lb

^{∗ lb}

^mol

^{∗ °R}

lb

∗ hr ^{] (15)}

- No Sistema Internacional de unidades (SI):

C = 0,03948 ∗ √k ∗ ( ²

k + 1⁾

k+1 k−1

com unidades [√^{kg ∗ kg}

^mol

^{∗ K}

mm² ∗ hr ∗ kPa^{] (16)}

Alternativamente, podemos encontrar o coeficiente C através da Figura 16, disponibilizada na API RP 520:

 Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento subcrítico

Quando a razão r de contrapressão em relação à pressão de entrada (r =^Pb

P₁

)

exceder a razão de pressão crítica (^Pc

P1), o escoamento se tornará subcrítico. As equações de (17) a (22) devem ser utilizadas para calcular a área de descarga efetiva requerida para uma válvula de segurança convencional que possui o ajuste da mola compensando a contrapressão superimposta.

Em Unidades Americanas (US):

A = ^W

735 ∗ F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T

M ∗ P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽¹⁷⁾

A = ^V

4645 ∗ F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T ∗ M

P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽¹⁸⁾

A = ^V

864 ∗ F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T ∗ G

P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽¹⁹⁾

No Sistema Internacional de unidades (SI):

A = ^{17,9 ∗ W}

F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T

M ∗ P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽²⁰⁾

A = ^{47,95 ∗ V}

F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T ∗ M

P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽²¹⁾

A = ^{258 ∗ V}

F

₂

∗ K

^{∗ √}

Z ∗ T ∗ G

P

₁

∗ (P

₁

− P

)⁽²²⁾

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida no dispositivo [in² ou mm²]

- W = vazão requerida no dispositivo [

^lb_h

ou

^kg_h

]

- V = vazão requerida no dispositivo [SCFM ou Nm³/h]

- F

₂

= coeficiente de escoamento subcrítico

- K

= fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- K

= coeficiente de descarga

- P

₁

= pressão de alívio (psi ou bar ou

_cm^kgf₂

)

- P

= contrapressão (psia, kPa, bar ou

_cm^kgf₂

)

- Z = fator de compressibilidade

- T = temperatura de alívio (°R ou °C)

- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (

_lb^lb

mol

ou

_kg^kg mol

)

- G = Gravidade específica

Para obter os fatores e coeficientes para realizar um dimensionamento preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

42 1) O fator K_c é adotado como 1, caso a válvula de segurança não possua um Disco de Ruptura instalado. Caso haja Disco de Ruptura instalado, adota-se o valor de 0,9.

2) O coeficiente de descarga K_d possui os valores descritos na Tabela 5, para cada tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com gases e vapores, utilizar os seguintes valores:

- 0,975 , quando a PSV está instalada com ou sem disco de ruptura

- 0,62 , quando a PSV não está instalada e o dimensionamento é feito considerando o disco de ruptura instalado.

Depois de feito o dimensionamento e tendo sido selecionado o orifício do fabricante, corrige-se este valor pelo valor certificado do fabricante.

3) O coeficiente de escoamento subcrítico F₂ pode ser obtido das seguintes formas: a) Pela equação (23):

F

₂

= √( ^k

k − 1^{) ∗ r}

(²_k)

∗

[

(1 − r

^(k−1k )

)

1 − r

]

(23)

Sendo:

 k =

razão de calores específicos do gás ideal

(k =^Cp

C_v)

 r =

razão da contrapressão em relação a pressão de alívio

(r =^Pb

P₁) b) Pela imagem a seguir, extraída da API RP 520:

 Aplicações com Vapor de água (Steam)

Dispositivos de alívio de pressão que operam com vapor de água (steam) na condição de escoamento crítico, devem ser dimensionados utilizando as equações (24) e (25), a seguir:

- Em unidades Americanas (US):

A = ^W

51,5 ∗ K

∗ K

_SH

∗ P

₁

⁽²⁴⁾

- No Sistema Internacional de unidades (SI):

A = ^{190,5 ∗ W}

K

∗ K

_SH

∗ P

₁

⁽²⁵⁾

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida [in² ou mm²] - W = vazão mássica requerida [^lb_h

ou

^kg_h

]

- P

₁

= pressão de alívio a montante (psi ou kPa, bar,

_cm^kgf₂

)

- K

= fator de correção da capacidade devido à contrapressão

- K

= fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- K

= coeficiente de descarga

- K

_SH

= fator de correção da capacidade devido ao superaquecimento

- K

= fator de correção da capacidade para a equação de Napier

Para obter os fatores e realizar um dimensionamento preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

1) Os fatores

K

_b e

K

_d podem ser obtidos da mesma forma que foram descritos no dimensionamento preliminar com gases e vapores.

2) O fator K_N

pode ser obtido à partir das equações à seguir:

K

= ^{0,1906 ∗ P}

^{− 1000}

0,2292 ∗ P

₁

− 1061^{se P}

^{> 1500 psia (26)}

ou

K

= 1 se P

₁

≤ 1500 psia (27)

3) O fator K_SH

é utilizado apenas para vapor d’água superaquecido e pode ser obtido

à partir da Tabela 7, logo abaixo, extraída da API RP 520. Para vapor saturado em qualquer valor de pressão, adotar o valor de 1. Para temperaturas acima de 1200°F (648,89 °C), utilizar as equações (10) até (14) para gases e vapores.

Tabela 12: Fator de correção para vapor superaquecido (Fonte: API RP 520, p.70)

 Aplicações com líquidos

O código da ASME exige que as PSVs que trabalham com líquido tenham suas capacidades de alívio certificadas. O procedimento para obter esta certificação inclui testes para determinar o coeficiente de descarga nominal das válvulas operando com líquido com 10% de sobrepressão.

As equações de dimensionamento para os dispositivos de alívio de pressão operando com líquidos, nesta seção do trabalho, assumem que os líquidos são

46 incompressíveis. Em outras palavras, considera-se que a densidade dos líquidos não muda com a variação de pressão.

As válvulas de segurança operando com líquidos e que são projetadas de acordo com o código da ASME, o qual exige a certificação da capacidade de alívio, devem ser dimensionadas preliminarmente utilizando as equações (28) e (29), a seguir:

- Em unidades Americanas (US):

A = ^Q

38 ∗ K

∗ K

^{∗ √}

G

P

₁

− P

⁽²⁸⁾

- No Sistema Internacional de unidades (SI):

A = ^{11,78 ∗ Q}

K

∗ K

^{∗ √}

G

P

₁

− P

⁽²⁹⁾

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida [in² ou mm²] - Q = vazão mássica requerida [U. S._min^gal

ou

_min^L

]

- G = Gravidade específica

- P

₁

= pressão de alívio a montante (psi ou kPa, bar,

_cm^kgf₂

)

- P

= contrapressão total (psi ou kPa, bar,

_cm^kgf₂

)

- K

= fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- K

= coeficiente de descarga

- K

= fator de correção da capacidade devido à viscosidade

- K

= fator de correção da capacidade devido à contrapressão

Para obter os fatores e realizar um dimensionamento preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

1) O fator K_c pode ser obtido da mesma forma que foi descrito no dimensionamento preliminar com gases, vapores e vapor d’água.

2) O coeficiente de descarga K_d possui os valores descritos na Tabela 5, para cada tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com líquidos, utilizar os seguintes valores:

47 - 0,62 , quando a PSV não está instalada e o dimensionamento é feito considerando o disco de ruptura instalado.

Depois de feito o dimensionamento e tendo sido selecionado o orifício do fabricante, corrige-se este valor pelo valor certificado do fabricante.

3) O fator K_W

pode ser obtido à partir da Figura 17, extraída da API RP 520. Apenas

as válvulas de segurança balanceadas necessitam deste fator de correção. Se a contrapressão for apenas atmosférica, deve-se utilizar o valor de 1 para o K_W

.

4) O fator K_V

pode ser tanto obtido através da Figura 14 (Página 30 deste trabalho),

quanto calculado pela equação (30), abaixo:

Figura 18: Fator de correção para contrapressão em válvulas de segurança balanceadas e operando com líquidos (Fonte: API RP 520, p.48)

K

= (0,9935 +^2,878

𝑅𝑒

0,5

+^342,75

𝑅𝑒

1,5

)

−1

No documento DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO (páginas 45-58)

Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520

3 Conceitos Básicos

3.5 Dimensionamento de válvulas de segurança

3.5.2 Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520

A = W

C ∗ K

∗ K

∗ K

∗ P

∗ √

T ∗ Z

M (10)

A = 1

6,32∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ K

∗ K

∗ K

∗ P

(11) ou A =

2,676 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ K

∗ K

∗ K

∗ P

(12)

A = 1

1,175∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ K

∗ K

∗ K

∗ P

(13) ou A =

14,41 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ K

∗ K

∗ K

∗ P

(14)

- A = área efetiva de descarga requerida no dispositivo [in² ou mm²]

- W = vazão requerida no dispositivo [

ou

]

- V = vazão requerida no dispositivo [SCFM ou Nm³/h]

- K

= fator de correção da capacidade devido à contrapressão

- K

= fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- K

= coeficiente de descarga

- P

= pressão de alívio (psi ou bar ou

)

- Z = fator de compressibilidade

- T = temperatura de alívio (°R ou °C)

- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (

ou

)

- G = Gravidade específica

- C = Coeficiente em função da razão de calores específicos do gás ideal (𝑘 =

)

C = 520 ∗ √k ∗ ( 2

k + 1)

com unidades [√lb

∗ lb

∗ °R

lb

∗ hr ] (15)

C = 0,03948 ∗ √k ∗ ( 2

k + 1)

com unidades [√kg ∗ kg

∗ K

mm² ∗ hr ∗ kPa] (16)

)

A = W

735 ∗ F

∗ K

∗ K

∗ √

A = ^W

^{∗ √}

M ⁽¹⁰⁾

A = ¹

6,32^∗

^{(11) ou A =}

A = ¹

1,175^∗

^{(13) ou A =}

⁽¹⁴⁾

C = 520 ∗ √k ∗ ( ²

k + 1⁾

com unidades [√^lb

^{∗ lb}

^{∗ °R}

∗ hr ^{] (15)}

C = 0,03948 ∗ √k ∗ ( ²

k + 1⁾

com unidades [√^{kg ∗ kg}

^{∗ K}

mm² ∗ hr ∗ kPa^{] (16)}

A = ^W

^{∗ √}

)⁽¹⁷⁾

A = ^V

^{∗ √}

)⁽¹⁸⁾

A = ^V

^{∗ √}

)⁽¹⁹⁾

A = ^{17,9 ∗ W}

^{∗ √}

)⁽²⁰⁾

A = ^{47,95 ∗ V}

^{∗ √}

)⁽²¹⁾

A = ^{258 ∗ V}

^{∗ √}

)⁽²²⁾